航天器组网与编队过程中的协调控制方法及应用

This proposed project studies coordinated control methods and implementation techniques of networked satellite formation. The dynamical modelling of networked satellites is investigated by considering the features of complex distributed nonlinearities, communication constraints, internal uncertainties, external disturbance and environment constraints. To solve the coordinated control problem of networked satellite formation, three main coordinated control methods are studied. They are the optimal coordinated control method of networked satellite formation for the case of satellites with forbidden flying zones, the predictive coordinated control method of networked satellite formation for the case of satellites with communication constrains and variable network topology, and the robust coordinated control method of networked satellite formation for the case of satellites with flight attitude-orbit coupling. It discusses methods of analysing the consensus and stability of satellite formation and then derives criteria of consensus and stability of networked satellite formation using the three above coordinated control methods. Implementation techniques of networked satellite formation are developed to make those advanced coordinated control methods of the satellite formation achieve the consistent, real-time, reliable, safe and expected coordinated control performance in practical applications. A simulation test rig of networked satellite formation are designed and established to illustrate the effeteness of proposed the coordinated control methods and implementation techniques.

本项目以卫星为研究对象，研究网络化卫星编队的协调控制方法和实现技术。综合考虑网络化卫星编队中复杂分布式的非线性动态特性、网络通信受限，内部不确定性、外部干扰和环境约束等特性，探讨网络化卫星群联合动态建模。为解决网络化卫星编队的协调控制问题，重点研究三种不同情况下的协调控制方法：存在禁忌区域情形下的网络化卫星编队优化协调控制方法，存在通信受限和通信拓扑结构切换的网络化卫星编队预测协调控制方法，网络化卫星编队飞行姿态轨道耦合的鲁棒协调控制方法。讨论网络化卫星编队协调控制系统的一致性和稳定性分析方法，获得网络化卫星编队的一致性和稳定性判据。开发网络化卫星编队协调控制的实现技术，使得先进的网络化卫星编队协调控制方法应用到实际卫星编队中达到具有一致、实时、可靠、安全和期望的协调控制性能。设计和建立网络化卫星编队控制仿真实验平台，验证研发的各种网络化卫星编队的协调控制方法及实现技术。

随着航天技术、通讯技术及控制技术的发展，多颗小卫星通过组网方式构成的协调控制系统呈现出蓬勃发展的趋势，广泛应用于对地遥感、通信、天文观测以及新技术试验等领域。大规模小卫星编队受其体系结构和星间通信性能的约束，难以获取编队系统的全部状态信息，给编队系统的协调控制系统的设计、分析与实现带来了各种挑战问题。本项目研究了网络化卫星编队的协调控制方法和技术。综合考虑了网络化卫星编队中复杂分布式的非线性动态特性、网络通信受限，内部不确定性、外部干扰和环境约束等特性，探讨了网络化卫星群联合动态建模。为解决网络化卫星编队的协调控制问题，重点研究了三种不同情况下的协调控制方法：存在禁忌区域情形下的网络化卫星编队优化协调控制方法，存在通信受限和通信拓扑结构切换的网络化卫星编队预测协调控制方法，网络化卫星编队飞行姿态轨道耦合的鲁棒协调控制方法。深入分析了网络化卫星编队协调控制系统的一致性和稳定性，获得了多种网络化卫星编队的一致性和稳定性判据。开发了网络化卫星编队协调控制的实现技术，并设计和建立了网络化卫星编队控制半物理仿真实验平台，进行了大量的网络化卫星编队的协调控制仿真和物理实验，成功地验证了研发的各种网络化卫星编队的协调控制方法及技术。为更进一步研究网络化卫星编队的协调控制，奠定了一个理论、实验和应用的坚实基础。